精密与超精密加工5.ppt

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1、超精密加工技术超精密加工技术是指：超精密加工技术是指：被加工零件的尺寸精度高于被加工零件的尺寸精度高于0.1m，表面粗糙度，表面粗糙度Ra小于小于0.025m，以及所用机床定位精度的分，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于辨率和重复性高于0.01m的加工技术，亦称之为亚微米级的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。超精密加工技术主要包括：超精密加工技术主要包括：超精密加工的机理，超精密超精密加工的机理，超精密加工的设备制造技术，超精密加工工具及刃磨技术，超精密加工的设备制造技术，超精密加工工具及刃磨技术，超精密测量技术和误差补

2、偿技术，超精密加工工作环境条件等。测量技术和误差补偿技术，超精密加工工作环境条件等。精密加工精密加工磨料精密加工磨料精密加工一、研磨一、研磨IT5IT3,Ra值值0.10.008 m磨料精密加工磨料精密加工研磨剂：研磨剂：1.磨料：机械切削作用（氧化铝、碳化硅、金刚石磨料：机械切削作用（氧化铝、碳化硅、金刚石 W14W5）2.研磨液：冷却、润滑作用（煤油、汽油、机油）研磨液：冷却、润滑作用（煤油、汽油、机油）3.辅助填料：使金属表面产生极薄、较软的化合物薄膜（硬脂酸、油酸）辅助填料：使金属表面产生极薄、较软的化合物薄膜（硬脂酸、油酸）研具：研具：1.比工件材料软比工件材料软2.涂敷、镶嵌磨料涂

3、敷、镶嵌磨料3.用铸铁、软钢、紫铜、塑料或硬木制造（铸铁常用）用铸铁、软钢、紫铜、塑料或硬木制造（铸铁常用）精密加工精密加工磨料精密加工磨料精密加工研磨的特点及应用研磨的特点及应用1.可提高尺寸精度、形状精度，不能提高位置精度可提高尺寸精度、形状精度，不能提高位置精度2.可提高零件的耐磨性、抗蚀性、疲劳强度和使用寿命可提高零件的耐磨性、抗蚀性、疲劳强度和使用寿命3.研磨所用的设备和研具简单，成本低研磨所用的设备和研具简单，成本低4.研磨生产率低，余量不应超过研磨生产率低，余量不应超过0.010.03mm5.应用范围广（表面、材料）应用范围广（表面、材料）精密加工精密加工磨料精密加工磨料精密加工

4、二、珩磨二、珩磨IT6IT4,Ra值值0.20.025 m精密加工精密加工磨料精密加工磨料精密加工珩磨的特点及应用珩磨的特点及应用1.可提高尺寸精度、形状精度，不能提高位置精度可提高尺寸精度、形状精度，不能提高位置精度2.可提高零件的耐磨性可提高零件的耐磨性3.珩磨效率高珩磨效率高4.不宜加工有色金属不宜加工有色金属精密加工精密加工磨料精密加工磨料精密加工三、挤压珩磨三、挤压珩磨Ra值值0.025 m精密加工精密加工磨料精密加工磨料精密加工挤压珩磨的特点及应用挤压珩磨的特点及应用1.对工件材料适应性广（淬火、不淬火钢，铸铁、有色金属、陶瓷、硬塑料）对工件材料适应性广（淬火、不淬火钢，铸铁、有色

5、金属、陶瓷、硬塑料）2.珩磨各种模腔、异形孔、交叉孔、齿轮齿面、三维叶片珩磨各种模腔、异形孔、交叉孔、齿轮齿面、三维叶片3.易于实现自动化，提高加工效率易于实现自动化，提高加工效率精密加工精密加工复合超精加工复合超精加工Ra值值0.20.012 m精密加工精密加工磨料精密加工磨料精密加工复合超精加工的工艺特点及工艺复合超精加工的工艺特点及工艺1.设备简单，也可用通用机床改装，自动化程度高，操作简便设备简单，也可用通用机床改装，自动化程度高，操作简便2.加工余量极小（加工余量极小（210um）3.加工表面耐磨性好加工表面耐磨性好4.生产率高生产率高精密加工精密加工精密镜面磨削精密镜面磨削l主要靠

6、精密磨床的精度来保证,可以达到亚微米级精度,在某些超精密磨床上可以磨出数十纳米精度的工件.l使用细磨粒可以得到RA=0.10.05微米的磨削表面,最近出现的在线电解修磨砂轮ELID可以得到0.010.002微米的镜面精密研磨和抛光精密研磨和抛光l使用超细粒度的自由磨料,在研具的作用和带动下冲击加工表面,使产生压痕和微裂纹,依次去除表面的微细突出处达到RA=0.010.002的镜面l研磨过程中一般都加入了化学活性剂,实际上是机械和化学的复合作用的加工过程.l在超精密加工中应用广泛,即可以得到很高的表面精度还可以得到很高的平面度.还大量应用于曲面的最终加工.在线电解修整砂轮镜面磨削技术在线电解修整

7、砂轮镜面磨削技术lELID(ElectrolyticIn-ProcessDressing)磨削是在磨削过程中，利用非线性电解修整作用和金属结合剂超硬磨料砂轮表层氧化物绝缘层对电解抑制作用的动态平衡，对砂轮进行连续修锐修整，使砂轮磨粒获得恒定的突出量，从而实现稳定、可控、最佳的磨削过程，它适用于硬脆材料进行超精密镜面磨削。ELID磨削技术以其效率高、精度高、表面质量好、加工装置简单及加工适应性广等特点，在日本已较广泛用于电子、机械、光学、仪表、汽车等领域。在线电解修整砂轮镜面磨削技术在线电解修整砂轮镜面磨削技术lELID磨削原理如图所示。金属结合剂超硬磨料砂轮与电源正极相接做阳极，工具电极做阴极

8、，在砂轮和电极的间隙中通过电解磨削液，利用电解过程中的阳极溶解效应，对砂轮表层的金属基体进行电解去除，从而逐渐露出崭新锋利的磨粒，形成对砂轮的修整作用：同时形成一层钝化膜附着于砂轮表面，抑制砂轮过度电解，从而使砂轮始终以最佳磨削状态连续进行磨削加工。所以该技术将砂轮修整与磨削过程结合在一起，利用金属基砂轮进行磨削加工的同时利用电解方法对砂轮进行修整，从而实现对硬脆材料的连续超精密镜面磨削。ELID磨削技术的工艺特点磨削技术的工艺特点lELID磨削技术是对金属结合剂超硬磨料砂轮在线修整、修锐的复合磨削技术，它有别于电解磨削、电火花磨削，在精密加工领域独树一帜，具有自身的一些显著特点。磨削过程具有

9、良好的稳定性和可控性，易于实现磨削过程的最优化：加工精度高，表面裂纹少，表面质量好：适应性广泛，磨削效率高：装置简单，成本低，推广性强等。刀具精密加工刀具精密加工一、高速精车一、高速精车 适合加工塑性大的有色金属适合加工塑性大的有色金属 金刚石车刀：速度金刚石车刀：速度1500m/min 背吃刀量背吃刀量0.030.05mm 进给量进给量0.020.08mm/r 精度达精度达IT6IT5，Ra值值0.80.1 m 车削条件：精密车床、主轴回转精度高、导轨直线度误差小车削条件：精密车床、主轴回转精度高、导轨直线度误差小 夹具经过动平衡、车刀角度合理，前后刀面研磨夹具经过动平衡、车刀角度合理，前后

10、刀面研磨 精密加工精密加工刀具精密加工刀具精密加工二、高速精镗二、高速精镗 金刚镗床、精度高、主轴圆跳动度误差小、刚性好、工作平稳金刚镗床、精度高、主轴圆跳动度误差小、刚性好、工作平稳 主轴转速达主轴转速达5000r/min 背吃刀量背吃刀量0.050.2mm 进给量进给量0.020.08mm/r 精度达精度达IT6，Ra值值1.60.2 m 大批大量生产中加工汽缸的缸孔、连杆孔、活塞销孔、大批大量生产中加工汽缸的缸孔、连杆孔、活塞销孔、精密箱体支承孔精密箱体支承孔精密加工精密加工l目前大部分微细制造技术所能达到的加工精度还在亚微米至微米范围,相距通常所说的纳米尺度(0.1100nm)还有很大

11、的差距。微细加工技术的进一步提高及进一步“微细”取决于多种因素,例如研究探索的深入开展、相关学科新成就的借鉴、新工艺新思维的出现、工业对纳米制造需求推动等。超精密加工技术国内外现状超精密加工技术国内外现状l在超精密加工技术方面在超精密加工技术方面，美国是开展研究最早的国家，美国是开展研究最早的国家，也是迄今处于世界领先地位的国家。早在也是迄今处于世界领先地位的国家。早在50年代末，由于航年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石刀具的超天等尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床，精密切削技术，并发展了相应的空气轴承主

12、轴的超精密机床，用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面非用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面非球面大型零件。如美国球面大型零件。如美国LLL实验室和实验室和Y-12工厂在美国能源部工厂在美国能源部支持下，于支持下，于1983年年7月研制成功大型超精密金刚石车床月研制成功大型超精密金刚石车床DTM3型。型。美国美国LLL的大型光学金刚石车床的大型光学金刚石车床LODTM主轴回转误差（静态）50r/min时的回转误差(P-V值)直线定位误差导轨运动直线度误差(P-V值)激光测量系统综合误差X向0.0250.0510.0510.1020.0025Y相0.0510.0510.

13、0510.1020.0025超精密加工技术国内外现状超精密加工技术国内外现状l该机床可加工最大零件该机床可加工最大零件2100mm、重量、重量4500kg的激光核聚变用的各种金属反射镜、红外装置用零件、的激光核聚变用的各种金属反射镜、红外装置用零件、大型天体望远镜（包括大型天体望远镜（包括X光天体望远镜）等。该机床光天体望远镜）等。该机床的加工精度可达到形状误差为的加工精度可达到形状误差为28nm（半径），圆度（半径），圆度和平面度为和平面度为12.5nm，加工表面粗糙度为，加工表面粗糙度为Ra4.2nm。l该机床及该实验室该机床及该实验室1984年研制的年研制的LODTM大型超精大型超精密车

14、床，仍是现在世界上公认的技术水平最高、精度密车床，仍是现在世界上公认的技术水平最高、精度最高的大型金刚石超精密车床。最高的大型金刚石超精密车床。超精密加工技术国内外现状超精密加工技术国内外现状l日本对超精密加工技术的研究相对于美、英来说起步日本对超精密加工技术的研究相对于美、英来说起步较晚，但是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。较晚，但是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。日本的研究重点不同于美国，前者是以民品应用为主要对日本的研究重点不同于美国，前者是以民品应用为主要对象，后者则是以发展国防尖端技术为主要目标。所以日本象，后者则是以发展国防尖端技术为主要目标。所以日本在用于声、光、

15、图象、办公设备中的小型、超小型电子和在用于声、光、图象、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面，是更加先进和具有优势光学零件的超精密加工技术方面，是更加先进和具有优势的，甚至超过了美国。的，甚至超过了美国。超精密加工技术国内外现状超精密加工技术国内外现状l我国的超精密加工技术在我国的超精密加工技术在70年代末期有了长足进步，年代末期有了长足进步，80年代年代中期中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。出现了具有世界水平的超精密机床和部件。北京机床研北京机床研究所究所是国内进行超精密加工技术研究的主要单位之一，研制是国内进行超精密加工技术研究的主要单位之一，研制出了多种不同

16、类型的超精密机床、部件和相关的高精度测试出了多种不同类型的超精密机床、部件和相关的高精度测试仪器等，如精度达仪器等，如精度达0.025m的精密轴承、的精密轴承、JCS-027超精密车超精密车床、床、JCS-31超精密铣床、超精密铣床、JCS-035超精密车床、超精密车床超精密车床、超精密车床数控系统、复印机感光鼓加工机床、红外大功率激光反射镜、数控系统、复印机感光鼓加工机床、红外大功率激光反射镜、超精密振动超精密振动位移测微仪等，达到了国内领先、国际先进位移测微仪等，达到了国内领先、国际先进水平。水平。超精密加工技术国内外现状超精密加工技术国内外现状l航空航天工业部航空航天工业部303所所在超

17、精密主轴、花岗岩坐标测量机在超精密主轴、花岗岩坐标测量机等方面进行了深入研究及产品生产。等方面进行了深入研究及产品生产。哈尔滨工业哈尔滨工业大学在金大学在金刚石超精密切削、金刚石刀具晶体定向和刃磨、金刚石微刚石超精密切削、金刚石刀具晶体定向和刃磨、金刚石微粉砂轮电解在线修整技术等方面进行了卓有成效的研究。粉砂轮电解在线修整技术等方面进行了卓有成效的研究。清华大学清华大学在集成电路超精密加工设备、磁盘加工及检测设在集成电路超精密加工设备、磁盘加工及检测设备、微位移工作台、超精密砂带磨削和研抛、金刚石微粉备、微位移工作台、超精密砂带磨削和研抛、金刚石微粉砂轮超精密磨削、非圆截面超精密切削等方面进行

18、了深入砂轮超精密磨削、非圆截面超精密切削等方面进行了深入研究，并有相应产品问世。此外研究，并有相应产品问世。此外中科院长春光学精密机械中科院长春光学精密机械研究所、华中理工大学、沈阳第一机床厂、成都工具研究研究所、华中理工大学、沈阳第一机床厂、成都工具研究所、国防科技大学所、国防科技大学等都进行了这一领域的研究，成绩显著。等都进行了这一领域的研究，成绩显著。但总的来说，我国在超精密加工的效率、精度、可靠性，但总的来说，我国在超精密加工的效率、精度、可靠性，特别是规格（大尺寸）和技术配套性方面与国外比，与生特别是规格（大尺寸）和技术配套性方面与国外比，与生产实际要求比，还有相当大的差距。产实际要

19、求比，还有相当大的差距。超精密加工技术国内外现状超精密加工技术国内外现状l国内研究基础国内研究基础在行业需要的关键技术方面我国已经开展了较在行业需要的关键技术方面我国已经开展了较多单项研究，其中一部分已经实现产业化，但总多单项研究，其中一部分已经实现产业化，但总的说难度高的复杂技术还未能掌握。的说难度高的复杂技术还未能掌握。超精密加工的特点超精密加工的特点l超精密切削l加工零件的尺寸精度和几何精度要靠超精密机床来保证.l要求最后一次的切削厚度必须小于尺寸精度值,进给量也要小.l特殊的切削规律l刀刃必须十分锋锐并且耐磨,如金刚石单晶刀具超精密切削时的材料去除超精密切削时的材料去除l工件材料缺陷的

20、影响l晶格原子缺陷:l点缺陷:缺少原子团l位错缺陷,晶格变形和位移l晶界,空隙和微裂纹超精密切削的最小极限切削厚度超精密切削的最小极限切削厚度l单晶金刚石刀具可以获得0.02-0.002微米的镜面.超精密加工技术发展趋势超精密加工技术发展趋势超精密加工技术的发展趋势：超精密加工技术的发展趋势：l向更高精度、更高效率方向发展；向更高精度、更高效率方向发展；l向大型化、微型化方向发展；向大型化、微型化方向发展；l向加工检测一体化方向发展；向加工检测一体化方向发展；l机床向多功能模块化方向发展；机床向多功能模块化方向发展；l不断探讨适合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。不断探讨适合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。21世纪初十年将是超精密加工技术达到纳米加工技术世纪初十年将是超精密加工技术达到纳米加工技术的关键十年。的关键十年。